Projet « Balance du watt

Projet « Balance du watt »
“Watt balance” project
1.
Introduction
Le projet français de balance du watt a pour but de
raccorder l’unité de masse à une constante fondamentale
de la physique (h, la constante de Planck), en comparant
une puissance d’origine mécanique à une puissance
d’origine électromagnétique déterminée à partir de
mesures de tension et de résistance par comparaison à
l’effet Josephson et l’effet Hall quantique.
L’année 2007 a été mise à profit pour concevoir la
mécanique définitive de l’expérience (montage du système
de guidage en translation - définitif, conception de la cuve
à vide, conception et fabrication du piètement et du
support orientable du circuit magnétique). Seule la
conception du système de levage de la partie supérieure de
la cuve n’a pu être abordée.
L’objectif prévu pour 2008, est le montage complet
d’un premier prototype de la balance du watt.
Enfin, notons que, dans le cadre de l’appel à projet
iMERA Plus de la Commission Européenne (pour
permettre le financement de projets de recherche de
l’EMRP), le projet e-MASS (The watt balance route
towards a new definition of the kilogram), au sein duquel
collaboreront le METAS, l’INRIM, le LNE-INM, le LNESYRTE et le LNE, a été sélectionné. Ce projet sera piloté
par le LNE.
un centrage du circuit magnétique le plus parfait possible.
La résolution du système de réglage est de l’ordre de 1 µm
et 1 µrad.
3.
L’étude du comparateur de forces a été poursuivie. En
particulier, le détecteur optique de position, qui assure la
répétabilité du positionnement du fléau, a été breveté et
adapté au fléau. La sensibilité de ce dispositif est estimé à
2 mV·nm–1. Le fléau a aussi fait l’objet de modifications
au niveau des pivots à lames flexibles.
Par ailleurs, la réalisation d’une nouvelle bobine
permet au prototype de comparateur de forces de
fonctionner dans des conditions similaires aux conditions
définitives de l’expérience. L’équilibre du fléau est obtenu
avec la source de courant programmable et un contrôleur
temps réel pour lequel un algorithme d’asservissement
PID a été adapté, ceci dans une configuration similaire à
celle qui sera utilisée dans le système définitif. Le gain
obtenu consécutivement à ces modifications est d’un
facteur de l’ordre de cent par rapport aux résultats obtenus
lors de l’exercice précédent. Le développement des
systèmes de butées et d’échangeur de masses restent
cependant à poursuivre.
4.
2.
Intégration mécanique
La conception et la fabrication de la structure de
l’expérience a été poursuivie. L’objectif est d’en
assembler la partie mécanique sur laquelle se grefferont
les éléments tels que interféromètre, fléau et références
électriques. L’effort a porté sur trois éléments essentiels :
la cuve à vide, le dispositif de guidage et le support de
l’aimant.
La cuve à vide comportera une partie basse qui
intègrera la majorité des liaisons entre extérieur et
intérieur, la partie haute comportant une ouverture
destinée à la mise en place d’un sas pour le transfert de
masse. Le dispositif de guidage dans une version
définitive a été réalisé et les premières caractérisations du
mouvement à partir de ce système ont été faites. Le
positionnement du circuit magnétique par rapport à la
bobine et par rapport à la verticale locale nécessite un
réglage fin ; un support a été conçu de façon à permettre
Comparateur de force et suspension
Étalon de masse de transfert
Les différents échantillons nécessaires à l’étude du
matériau des masses étalons de la balance du watt ont fait
l’objet de nombreux travaux d’ajustement et de polissage.
On dispose actuellement de l’ensemble des éléments
nécessaires à l’étude du passage air-vide et de l’influence
des méthodes de nettoyage. On notera que pour ce dernier
point, un lot d’échantillons a été élaboré pour l’étude des
contaminants de surface des différents alliages par la
société Science et Surface et par l’Institut des NanoSciences de Paris, dans le cadre d’une action d’incitation
du LNE/DRST.
4.1.
Étude de surface de l’alliage platine-iridium
Un cylindre en Pt-Ir, nettoyé par un nettoyage/lavage
BIPM puis conservé dans l’air pendant six mois, a été
étudié. Lors de la première thermodésorption à 500 °C,
une forte désorption d’hydrogène et de dioxyde de
carbone a été observée, et en plus faible quantité, des
PROJET « BALANCE DU WATT » – RAPPORT D’ACTIVITÉ 2007
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composés ou radicaux tels que C2H2, C2H5, C2H2OH,
C3H3, C3H5. Ces derniers correspondent à des fragments
de molécule d’ éthanol ou d’ éther.
Après la remise à l’ air (passage air-vide), le cylindre a
été conservé sous cloche pendant une semaine dans une
atmosphère propre. La seconde thermodésorption à 500 °C
montre une diminution significative de la désorption de
molécules. En particulier, il n’ y a plus de traces d’ éthanol,
d’ éther et de molécules ayant une masse atomique
supérieure à 45. Néanmoins, il subsiste des molécules
présentes dans l’ air. Le nettoyage par thermodésorption
permet de retirer une quantité importante de contaminants
sans en rajouter, contrairement aux autres méthodes de
nettoyage.
4.2.
Caractérisation de l’état de surface de disques en
iridium pur
Des études de caractérisation d’ état de surface de deux
disques en iridium ont été entreprises afin de pouvoir faire
les études gravimétriques par la suite. Les résultats
montrent que la surface de ces deux cylindres présentent
une bonne homogénéité et une rugosité de l’ ordre de 4 nm
dans le domaine accessible aux mesures optiques. Ces
résultats sont comparables à ceux obtenus avec le platine
iridié.
cherche à s’ assurer que la distribution du champ est bien
axisymétrique avec un minimum à l’ endroit où sera placée
la bobine pendant la phase statique. Pour ces mesures, une
sonde capacitive capable de mesurer les variations de
l’ épaisseur de l’ entrefer et une sonde à effet Hall ont été
utilisées.
De plus, pour mettre en œuvre la phase statique de
l’ expérience, il faut aligner avec la verticale la résultante
des forces de Laplace qui agit sur la bobine. Pour cela,
l’ axe de révolution du champ d’ induction doit être
vertical. Cet alignement a été réalisé en mesurant l’ angle
que forme la direction de cet axe de révolution avec la
normale à une surface prise comme référence sur le circuit
magnétique. Cette surface est définie par un anneau
circulaire de diamètre 500 mm environ qui appartient au
pôle extérieur du circuit. Dans l’ expérience, c’ est cette
surface qui sera alignée avec la verticale en fonction des
mesures réalisées.
Par ailleurs, une étude du comportement superficiel sur
un artefact de grande surface en iridium (bande polie de
100 g en iridium) est en cours. Cette étude porte sur le
transfert air-vide et sur le nettoyage. L’ évolution constatée
de cet artefact est couplée avec l’ analyse des contaminants
de surface. Les premiers résultats de passage air-vide
montrent une désorption de 0,15 µg·cm–2 lors d’ une
première mise sous vide à 10–6 Pa.
5.
Mesure et contrôle de vitesse
Dans le cas d’ une faible charge, les performances de
l’ asservissement de la vitesse selon l’ axe vertical sont
meilleures que celles obtenues initialement selon un axe
horizontal (2·10–9 sur 100 s). Les essais se sont poursuivis
sous une charge de 1,2 kg. Le bâti actuel (provisoire)
n’ ayant pas été optimisé pour minimiser les vibrations
mécaniques, les premiers résultats obtenus montrent des
performances dégradées à 2 mm·s–1.
Ces vibrations de grandes amplitudes ne peuvent pas
encore être corrigées par l’ électronique d’ asservissement
actuelle limitée, en partie, par la dynamique de correction
du transducteur piézo-électrique utilisé lors de ces essais.
Les efforts se poursuivent pour diminuer cet écart type
relatif et atteindre les performances obtenues sous faible
charge (2⋅10–9 sur 100 s).
6.
Le circuit magnétique
Une fois le circuit assemblé, il est nécessaire de
vérifier la géométrie de l’ entrefer obtenu et la variation de
l’ intensité du champ d’ induction correspondante. On
8
Fig. 1. – Circuit magnétique.
Pour réaliser les mesures, il faut déplacer une sonde
dans tout le volume de l’ entrefer. Pour cela, une machine
spéciale a été conçue et fabriquée. Elle permet de déplacer
une sonde dans les trois directions d’ un repère cylindrique
dont l’ axe Oz est l’ axe de révolution du circuit magnétique :
un plateau tournant motorisé fait tourner le circuit
magnétique, tandis que deux platines de translation
motorisées déplacent la sonde dans l’ entrefer, dans les
directions axiale et radiale. En raison de la taille des
sondes et de l’ épaisseur de l’ entrefer, le déplacement
radial est utilisé uniquement pour la sonde à effet Hall.
Les résultats montrent qu’ il existe un faible écart
entre le profil de champ vertical dans l’ entrefer et le profil
espéré, qu’ il sera cependant nécessaire de réduire en
remplaçant la bague étalon du circuit magnétique.
REVUE FRANÇAISE DE MÉTROLOGIE n° 15, Volume 2008-3
7.
Gravimétrie
Le dispositif final du gravimètre absolu est en cours
d’ assemblage et un test mécanique des blindages
magnétiques a été effectué. Par ailleurs, de nouvelles
optiques ont été testées, en particulier pour les faisceaux
Raman.
Le filtrage numérique du signal du sismomètre a été
réalisé afin de compenser l’ atténuation et les déphasages
de sa fonction de transfert, ceci afin d’ améliorer la
réjection des vibrations. Les premiers résultats ont montré
un gain relativement modeste sur la sensibilité, de l’ ordre
de 25 %. La nuit, sans air conditionné, un record de
sensibilité de 1,4·10–8g sur 1 s a été obtenu. Cette limite
est attribuée à des couplages d’ axes dans le sismomètre.
systématiques (sauf de l’ effet Coriolis et de l’ effet des
aberrations). Un biais de 16 µGal a été observé sur la
mesure du gravimètre qui peut être attribué à ces effets.
Le gravimètre relatif CG5 a mesuré en continu les
variations de gravité dans la salle destinée à accueillir le
gravimètre absolu, à Trappes. L’ analyse des 150 premiers
jours permet d’ ores et déjà de corriger les mesures
des effets de marées et de variations de pression
atmosphérique avec une incertitude de 0,7 µGal. Durant
cette acquisition l’ instrument a été comparé pendant
4 mois à un autre CG5 de l’ Université du Luxembourg
fonctionnant différemment. Les mesures communes ont
permis de valider le fonctionnement de leur dispositif et
de confirmer la sensibilité de nos mesures. En effet,
l’ analyse préliminaire de données communes donne les
mêmes paramètres de marées.
A partir des cartographies horizontales et verticales le
modèle a été affiné, déterminant les variations de gravité
dans le laboratoire. Il consiste en la modélisation des
effets gravimétriques des différents éléments influents du
laboratoire : massifs, murs, pieds des massifs, vide entre
les massifs et les argiles composant le sol. Ce modèle
permet le transfert de la gravité de n’ importe quel endroit
des deux massifs à n’ importe quel autre endroit avec une
incertitude de 3 µGal, assurant une contribution dans le
budget total d’ incertitude de la balance du watt de 3·10–9.
Les différences de gravité obtenues avec des gravimètres
absolus ont permis de valider le modèle.
8.
Phase dynamique
L’ étude de la phase dynamique rassemble sur un
même banc de mesure le système de guidage en
translation et l’ interféromètre destiné à asservir la vitesse
de la bobine mobile. L’ étude de l’ asservissement du
déplacement d’ objets massifs a été entreprise. Les
résultats obtenus montrent qu’ il est nécessaire de contrôler
la vitesse de la bobine en trois points. Pour ce faire, un
nouvel interféromètre utilisant un laser Nd:YAG doublé
en fréquence a été développé.
9.
Fig. 2. – Nouvelle enceinte à vide pendant les tests d’ assemblage
des blindages.
Finalement, une comparaison a été réalisée entre le
gravimètre du LNE-SYRTE et l’ A10 de l’ Institut de
Physique du Globe de Paris. Les résultats montrent que les
données du A10 et du gravimètre atomique, comparées à
un modèle de marée sont en bon accord. La valeur de g
donnée par le gravimètre atomique est corrigée des effets
Conclusion
L’ année 2007 a permis d’ affiner un certain nombre de
mesures essentielles avant l’ assemblage complet du
prototype. Ces mesures ont permis de revoir certains
éléments importants de l’ ensemble du dispositif tels que
les éléments de guidage, le contrôle de vitesse, le circuit
magnétique ou le gravimètre, qui ont ou seront modifiés
afin de réduire au minimum les effets induisant des
perturbations.
PROJET « BALANCE DU WATT » – RAPPORT D’ACTIVITÉ 2007
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